《能源動(dòng)力裝置基礎(chǔ)》02a.ppt

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1,第二章葉輪機(jī)械的基本理論,在實(shí)際葉輪機(jī)械中的流動(dòng)是非常復(fù)雜的：是三元、不穩(wěn)定的粘性流動(dòng)，還有可能是超音速的流動(dòng)。同時(shí)，葉輪機(jī)械的幾何形狀和尺寸也是非常復(fù)雜的。為了分析方便，往往對(duì)復(fù)雜的流動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如在流體機(jī)械中的流動(dòng)是：（1）穩(wěn)定流動(dòng)：即流體通過(guò)計(jì)算面某一點(diǎn)的參數(shù)不隨時(shí)間的變化而變化。（2）一元流動(dòng)：即流體通過(guò)計(jì)算面時(shí)，其參數(shù)只沿流動(dòng)方向變化，而在與流動(dòng)方向相垂直的截面不變化。（3）和外界沒(méi)有熱交換：即絕熱流動(dòng)。（4）不考慮粘性的局部影響,只考慮整體上的能量損失。這樣簡(jiǎn)化處理之后，能夠滿足工程要求。,2,第一節(jié)葉輪機(jī)械的典型結(jié)構(gòu),一、典型結(jié)構(gòu)葉輪機(jī)械有汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、葉輪泵、透平壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)大體相同，也有區(qū)別，其共同特點(diǎn)：離心式工作機(jī)單級(jí)單吸離心泵和通風(fēng)機(jī)（圖2—1，圖2—2）：其通流部分由吸入口（進(jìn)氣口）、葉輪、渦殼組成。兩軸承在葉輪的一側(cè)，葉輪懸臂，流體軸向吸入。液體機(jī)械，多為鑄件或鍛件；風(fēng)機(jī)一般為薄板沖壓后焊接成型。,3,工作過(guò)程：工作機(jī)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在葉片作用下，形成吸入力，使葉輪中的流體獲得能量，進(jìn)入渦殼，此時(shí)流體速度降低，壓力升高，然后從擴(kuò)散管流出。由于葉輪連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，流通就不斷地由葉輪吸入和排出，轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能就不斷地轉(zhuǎn)換為流體的壓力能和速度能。,4,雙吸單級(jí)離心泵（圖2-3）：其通流部分由吸入口（進(jìn)氣口）、葉輪、渦殼組成。其葉輪相當(dāng)于兩個(gè)單吸葉輪背靠背聯(lián)成一體，流體從葉輪兩側(cè)吸入，故吸入流量大。這種結(jié)構(gòu)的吸入室復(fù)雜，流體常常是徑向流入。,5,多級(jí)離心泵（圖2-4）圖2-4為4級(jí)離心泵，有4個(gè)葉輪、吸入室、渦殼和4個(gè)徑向?qū)~和反導(dǎo)板組成。多級(jí)機(jī)器的功率大。雙吸單級(jí)離心通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和多級(jí)離心壓縮機(jī)和泵結(jié)構(gòu)類似。,6,軸流式原動(dòng)機(jī)（圖2—5）圖2—5所示為單級(jí)汽輪機(jī)示意圖。具有一定壓力、溫度的蒸汽首先在噴嘴中膨脹加速，其壓力降低、溫度降低，速度增加。將熱能轉(zhuǎn)換成高速汽流的動(dòng)能；然后進(jìn)入動(dòng)葉通道，汽流受到動(dòng)葉形狀的阻礙，改變方向，產(chǎn)生對(duì)葉片的作用力，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)做功。完成能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。,（圖2-5）,7,3.軸流式工作機(jī)單級(jí)軸流通風(fēng)機(jī)（圖2-6）：其通流部分由集風(fēng)器、葉輪、導(dǎo)葉和擴(kuò)散管組成。,工作過(guò)程：氣流進(jìn)入集流器（吸入室），在葉輪中得到能量，在導(dǎo)葉3內(nèi)速度減小，壓力提高，改變方向，最后在擴(kuò)散管內(nèi)進(jìn)一步減小速度，壓力進(jìn)一步提高。,8,4.原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)聯(lián)合裝置：,透平膨脹機(jī)（圖2-7）從壓縮機(jī)來(lái)的高溫、高壓空氣通過(guò)透平膨脹機(jī)，其溫度下降，在膨脹機(jī)葉輪上的作功由制動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪所消耗。如圖所示，兩葉輪完全對(duì)稱，為徑—軸流式、單級(jí)、單吸。,9,增壓器（圖2-8）所示為內(nèi)燃機(jī)用的增壓器，由由吸入口、葉輪、葉片擴(kuò)壓器和渦殼組成。增壓器由膨脹機(jī)（右邊所示）拖動(dòng)。,10,航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)（圖2-9）：其中有17級(jí)的軸流壓氣機(jī)和3級(jí)軸流式氣輪機(jī)（渦輪）每一級(jí)都有各自的導(dǎo)向葉片。,11,二、級(jí),葉輪機(jī)械的級(jí)是由一組固定的導(dǎo)向葉片（靜葉柵、噴嘴葉柵）和一組安裝在動(dòng)葉輪上一組動(dòng)葉片所組成。它是葉輪機(jī)械最小的工作單元。圖2-10為葉輪立體圖；葉輪是流體（工質(zhì)）能量與外界機(jī)械功進(jìn)行傳遞的唯一部件。,12,圖2-10為徑流式級(jí){（a)為壓縮機(jī)械，（b)膨脹機(jī)械。}；其中，壓縮機(jī)械是外界輸入機(jī)械功給流體；膨脹機(jī)械是流體對(duì)外輸出機(jī)械功。,13,圖2—11軸流式級(jí)，實(shí)線方向?yàn)閴嚎s機(jī)械，虛線方向?yàn)榕蛎洐C(jī)械。通風(fēng)機(jī)和泵常用單級(jí)結(jié)構(gòu)，即一個(gè)進(jìn)氣室、一個(gè)葉輪、一個(gè)渦殼組成。徑流式渦輪機(jī)也多用單級(jí)結(jié)構(gòu)。但單級(jí)機(jī)器出口壓力小，須采用多級(jí)串聯(lián)形式。如多級(jí)汽輪機(jī)、多級(jí)壓縮機(jī)。,14,第二節(jié)流體在葉輪中的運(yùn)動(dòng)分析,一、葉輪流道投影圖左圖的葉片一般為空間曲面，是關(guān)于軸對(duì)稱的，故用柱面坐標(biāo)表示為方便。用z軸表示軸向，r為半徑方向，θ為圓周方向。則葉片表面可用曲面方程表示,（2-1）,葉片上任意一點(diǎn)的空間位置，可用坐標(biāo)（）表示。軸面投影圖和平面投影圖：軸面是指過(guò)葉輪軸線的平面（子午面）。軸面投影圖是將每一點(diǎn)繞軸線旋轉(zhuǎn)一定角度到同一軸面而成。,15,二、流體在葉輪中的流動(dòng)速度在圓柱坐標(biāo)系中，任意矢量可用其在三個(gè)方向上的分量表示。速度矢量c分解為圓周、徑向和軸向三個(gè)分量,（2—2）,徑向分量和軸向分量的合成為,（2—3）,稱為軸面速度，它和圓周速度合成速度矢量,（2—4）,各分量均為正交，故有,（2—5）,16,葉輪的流線為空間曲線，則空間曲線繞軸旋轉(zhuǎn)一周所形成的回轉(zhuǎn)面稱為流面，回轉(zhuǎn)面與軸面的交線就是流線的軸面投影稱為軸面流線（圖2—14）三、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)由于葉輪在旋轉(zhuǎn)，故流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于靜坐標(biāo)系的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)與相對(duì)于葉輪的運(yùn)動(dòng)是不同的。如圖2—17為徑流式葉輪中流體流動(dòng)情況。a為葉輪不動(dòng)時(shí)流體在葉輪中的流線。b為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)葉輪上固體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，c為葉輪絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的軌跡。圖2—18為軸流式葉輪中的相對(duì)與絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)速度合成，則絕對(duì)速度是相對(duì)速度和牽連速度之矢量和。,(2—7）,圖2—17,圖2—18,其中，c為絕對(duì)速度，w為相對(duì)速度，u為圓周速度。,17,圖2-19為速度三角形。C和w可分解為圓周分量和周向分量。即,（2—8）,圖2-19,18,第三節(jié)葉輪機(jī)械的基本方程式（略）,一、葉輪進(jìn)出口速度三角形：對(duì)于葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械，流體相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系的速度用絕對(duì)速度c表示，關(guān)于相對(duì)坐標(biāo)系的速度用相對(duì)速度w表示，流體隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)的速度稱圓周速度u，三者的關(guān)系為上式如圖2-12所示。圖中（如泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、反擊式水輪機(jī)等），絕對(duì)速度c和圓周速度u的正向夾角為?，相對(duì)速度w和圓周速度u的反向夾角為?，下標(biāo)1、2分別表示進(jìn)、出口處。但在渦輪機(jī)中，?表示相對(duì)速度w和圓周速度u的正向夾角，而相對(duì)速度w和圓周速度u的反向夾角為?*。其進(jìn)出口速度三角形如圖2-13b所示。,19,20,軸流式級(jí)葉輪進(jìn)出口速度三角形如圖2-14a,b所示。,21,二、動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理,動(dòng)量定理用于葉輪機(jī)械中力的分析計(jì)算。動(dòng)量定理可表達(dá)成上示中，F(xiàn)?t——沖量；m?c——?jiǎng)恿孔兓?；——質(zhì)量流量。,22,2.動(dòng)量矩定理廣泛用于葉輪機(jī)械中。應(yīng)用于葉輪時(shí)，可以得到葉輪與外界所傳遞的能量。用于靜止部分可分析流體參數(shù)的變化。如圖2-18，當(dāng)流體作一元流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)量m在?t時(shí)間從位置1-2流到位置1’-2’。因1‘-2之間的流體動(dòng)量矩不變，故流體質(zhì)量m在時(shí)間?t內(nèi)總的動(dòng)量矩變化可看作兩個(gè)基本體積1-1’和2-2’的動(dòng)量矩之差。根據(jù)連續(xù)性，兩個(gè)基本體積1-1’和2-2’的質(zhì)量?m相同。,圖2-19,23,因徑向分速和z軸垂直相交，軸向分速和z軸平行，則徑向、軸向都無(wú)動(dòng)量矩。動(dòng)量矩變化為?m?()（為圓周分速）。由動(dòng)量矩定律,式中：質(zhì)量流量=?m/?t；外力矩包括作用于流體質(zhì)量m上所有的外力矩。外力有重力、1-1、2’-2‘面上壓力、葉輪力，因軸對(duì)稱，重力矩之代數(shù)和為零；1-1、2’-2‘面上壓力和z軸垂直，或和z軸平行，無(wú)矩。所以，外力矩就是葉輪力矩。,24,三、歐拉方程將動(dòng)量矩方程應(yīng)用于葉輪內(nèi)的流通，則可以求得葉輪與流體互相作用的力矩。如圖2—29單位時(shí)間內(nèi)流入、流出控制面的動(dòng)量矩分別為,圖2—29,對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，控制面內(nèi)的動(dòng)量矩不變，則根據(jù)動(dòng)量矩定理,力矩為,（2—16a),上式中的號(hào)，對(duì)于工作機(jī)取+號(hào)，對(duì)于原動(dòng)機(jī)，取負(fù)號(hào)?；蚪y(tǒng)一寫(xiě)成，,（2—16b),25,該力矩的功率為當(dāng)不考慮損失時(shí)，該功率即為流體從葉片獲得的功率，為,最后得葉片式流體機(jī)械的歐拉方程,（2—17）,式中，下標(biāo)p代表高壓邊，S代表低壓邊。對(duì)于工作機(jī)和原動(dòng)機(jī)可分別寫(xiě)成,（2—18）,式中，分別稱為理論揚(yáng)程（水頭）、理論能量頭和理論全壓。沒(méi)考慮損失。,26,對(duì)于的情況（法向出口或進(jìn)口），有,（2—19）,歐拉方程又可以用速度環(huán)量表示，此時(shí),（2—20）,式（2—17）~是歐拉方程的幾種不同的形式。,（2—20）,27,對(duì)于歐拉方程的說(shuō)明：,（1）歐拉方程是單位質(zhì)量流體與葉輪的功能轉(zhuǎn)換表達(dá)式。歐拉方程的應(yīng)用很方便，只要知道系統(tǒng)進(jìn)出口參數(shù)，就可以求得葉輪傳遞的轉(zhuǎn)換機(jī)械能；（2）歐拉方程適用所有的葉輪機(jī)械。對(duì)于工作機(jī)，輸入的機(jī)械功取正值；對(duì)于原動(dòng)機(jī)，其輸出機(jī)械功也取正值。則歐拉方程為：（3）歐拉方程的推導(dǎo)中利用了質(zhì)量守恒，即應(yīng)滿足連續(xù)性方程。（4）轉(zhuǎn)速相同的的同一葉輪中，流體不同時(shí)，單位質(zhì)量流體轉(zhuǎn)換的能量基本相同。,28,四、能量方程和伯努利方程根據(jù)本書(shū)第一章第三節(jié)中的能量方程式，有,當(dāng)忽略機(jī)殼與外界的熱交換，q=0。對(duì)于葉輪而言，。對(duì)于固定部件，不做功，則。對(duì)于葉輪，能量方程為對(duì)于固定部件，能量方程為對(duì)于可壓縮介質(zhì)，可不考慮重力作用。上二式為,（2-22）（2-23）,（2-24）（2-25）,29,當(dāng)需要考慮壓力變化時(shí)，根據(jù)第一章式（1—16），對(duì)于葉輪和固定部件，分別有,（2—26）（2—27）,對(duì)于可壓縮介質(zhì)，有，則上二式為,（2—28）（2—29）,